EP3183811A1 - Mikroakustisches bauelement mit verbesserter temperaturkompensation - Google Patents

Mikroakustisches bauelement mit verbesserter temperaturkompensation

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EP3183811A1
EP3183811A1 EP15735958.9A EP15735958A EP3183811A1 EP 3183811 A1 EP3183811 A1 EP 3183811A1 EP 15735958 A EP15735958 A EP 15735958A EP 3183811 A1 EP3183811 A1 EP 3183811A1
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EP
European Patent Office
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layer
compensation layer
compensation
scf
component according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15735958.9A
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English (en)
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Werner Ruile
Philipp Michael JÄGER
Matthias Knapp
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Original Assignee
SnapTrack Inc
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Publication date
Application filed by SnapTrack Inc filed Critical SnapTrack Inc
Publication of EP3183811A1 publication Critical patent/EP3183811A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/02—Details
    • H03H9/02535—Details of surface acoustic wave devices
    • H03H9/02818—Means for compensation or elimination of undesirable effects
    • H03H9/02834—Means for compensation or elimination of undesirable effects of temperature influence
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    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
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    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/02—Details
    • H03H9/02007—Details of bulk acoustic wave devices
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    • H03H9/02102—Means for compensation or elimination of undesirable effects of temperature influence
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    • H03H9/125—Driving means, e.g. electrodes, coils
    • H03H9/145—Driving means, e.g. electrodes, coils for networks using surface acoustic waves
    • H03H9/14544—Transducers of particular shape or position
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    • H03H9/46—Filters
    • H03H9/462—Microelectro-mechanical filters

Definitions

  • SAW surface acoustic wave
  • BAW bulk acoustic wave
  • the temperature coefficient of the center frequency (TCF) of SAW devices based on lithium tantalate (LT 42 ° red xy) is typically at e.g. -40 ppm / K.
  • TCF center frequency
  • Electrode materials do not remain without influence on the TCF.
  • the component has on the substrate top electrically conductive construction ⁇ element structures and on the bottom one
  • Compensating on which is mechanically firmly connected to the substrate so that a mechanical strain arises, or builds up when the temperature changes.
  • a Si0 2 layer is arranged over the component structures, which has a positive
  • Reflectivity of the electrodes is obtained only with heavy electrodes. This is unsatisfactory especially for SAW devices and insufficient for some applications.
  • a disadvantage of the temperature compensation with S1O 2 is further that its temperature compensation property is limited and by the use of S1O 2 a loss of electromechanical coupling and bandwidth, an increased Damping and the occurrence of unwanted spurious modes must be taken into account. This limits the effectively achievable TC compensation.
  • Object of the present invention is to provide new possibilities or new materials for the compensation of the temperature coefficient, with both the compensation is improved, and the associated disadvantages are reduced.
  • the invention is based on the recognition that among the materials with a negative coefficient of thermal expansion many materials can be found which have a positive temperature coefficient of their thermomechanical properties. Such materials can be used to compensate for a negative temperature coefficient of the thermomechanical properties, as is usually the case with piezoelectric materials.
  • the chemical compound is an inorganic transition metal compound or a
  • Such a device comprises at least one layer of a piezoelectric material having a pair of electrodes for exciting acoustic waves in the piezoelectric material.
  • the compensation layer is arranged on this device so that in the compensation layer
  • piezoelectric layer in which the acoustic wave is primarily generated.
  • Materials with negative coefficients of thermal expansion e.g. from the class dielectric
  • inorganic transition metal and rare earth compounds are surprisingly show a high positive temperature coefficient of their modulus of elasticity, so an increase in stiffness with increasing temperature, which is greater than the best known materials such as
  • Si02- With this high stiffness change or the associated positive temperature coefficient of the modulus of elasticity succeeds to a more effective compensation layer
  • the compensation layer is directly on the layer of the piezoelectric
  • Electrodes and compensation layer may be disposed on the same side of the piezoelectric layer. It is also possible, however, the
  • the compensation layer comprises as a rare earth compound with
  • a particularly high positive temperature coefficient of the modulus of elasticity can be achieved with an yttrium-doped one
  • the yttrium content of this compound is limited by the solubility of yttrium trifluoride in the scandium trifluoride, and theoretically may be higher if successful
  • This material shows in pure form a temperature coefficient of the modulus of about 1500 ppm / K. This temperature coefficient is more than five times as high as that of undoped S1O 2 , which is used in today's components as a compensation layer. In comparison to the previously proposed but not yet used fluorine doped S1O 2 , the temperature coefficient of the proposed yttrium-doped scandium trifluoride is more than twice as high.
  • the compensation layer has a temperature coefficient of the thermoelastic properties of> 700 ppm / K. These values are achieved by different of the mentioned materials with negative coefficients of thermal expansion.
  • the said material may be present in solid pure form, in doped form, as a mixed compound together with other oxides, halides or other crystalline compounds or it may be embedded in solid form in a crystalline matrix or preferably just in a glass. It is possible that a compensation layer which does not receive the negative expansion coefficient material in a pure form achieves a lower compensation effect than a compensation layer composed exclusively of said material. But it is also possible that a layered mixture or a layered doping even increases the desired effect. Mixtures with other substances or an embedding in a matrix may be advantageous in cases where the modification of the
  • Material is not directly suitable for layer deposition, or if layers so produced are mechanically and structurally unsuitable for remaining on the device.
  • the component is designed as a SAW component, that is to say as a component working with surface acoustic waves. It has at least one interdigital transducer on the piezoelectric layer. On the piezoelectric layer and over the interdigital transducer a compensation layer is deposited, the
  • Scandium trifluoride SCF 3 either doped (eg with YF 3 ), as mixed crystal with other oxides or halides or embedded in a crystalline matrix or in a glass.
  • the compensation layer with respect to the selection of the compensating material and with respect to its proportion in the compensation layer formed so that the temperature ⁇ coefficient of the center frequency, that is, the operative for the SAW device temperature-dependent value is already at a relative layer thickness of 5 - fully 15%
  • the relative layer thickness refers to the wavelength of a propagating ⁇ enabled in this material the acoustic wave, and outputs the layer thickness in
  • the relative layer thickness refers to the ratio of
  • the component can also be designed as a BAW component, wherein both possible embodiments are possible as SMR (solidly mounted resonator) or on the basis of resonators arranged via membranes.
  • SMR solidly mounted resonator
  • GBAW device working with guided volume waves
  • Component may be formed.
  • the devices may comprise an electrode material comprising one or more of known metals and alloys, semiconductors, and conductive borides, nitrides, carbides and mixed compounds.
  • the components according to the invention can be provided or designed for a very wide variety of applications.
  • the compensation layer comprises a material of oxide network formers.
  • These special network formers show a negative coefficient of thermal expansion, which is usually associated with an abnormal pressure behavior ("pressure softening") .
  • pressure softening an abnormal pressure behavior
  • these compounds also show an abnormal thermo-mechanical behavior, which also has a positive thermal expansion coefficient
  • Temperature coefficient of stiffness c and the modulus of elasticity is associated.
  • Figures 1 and 2 show in schematic cross section in each case a SAW device with compensation layer in
  • FIG. 3 shows a BAW component with compensation layer
  • FIG. 4 shows a GBAW component with compensation layer
  • FIG. 5 shows a further BAW component
  • FIG. 6 shows a SAW component
  • FIGS. 7a and 7b each show a SAW component with a structured compensation layer
  • FIGS. 8a to 8c show SAW or GBAW devices comprising one or more additional dielectric layers DS
  • FIG. 9 shows the course of the modulus of elasticity versus temperature in the system SC (i- X ) Y x F3 with different yttrium contents x.
  • FIG. 1 shows the simplest embodiment of a SAW component provided with a compensation layer KS. On a substrate which has at least one thin piezoelectric
  • Layer comprises, is a first electrode layer ELI
  • the substrate SU consists of lithium tantalate with a cut suitable for SAW generation and propagation.
  • LT42 has a temperature coefficient of elastic properties in the x-direction of about -40 ppm.
  • the electrode layer ELI is the
  • FIG. 2 shows a similar component in which the
  • BAW component Component in which a compensation layer KS is applied directly to a piezoelectric substrate SU.
  • a first electrode layer ELI On this exposed surface of the substrate SU is a first electrode layer ELI and on the exposed surface of the compensation layer KS is a second
  • Electrode layer EL2 arranged.
  • the thickness of Kompen ⁇ sations slaughter KS and substrate SU together determine the wavelength of the BAW device, so that at a given wavelength, a thicker compensation layer KS has a thinner substrate SU result to set the same resonance frequency in the BAW component.
  • Figure 4 shows another type of working with acoustic waves components, namely with guided
  • the compensation layer KS is arranged in a desired layer thickness.
  • Compensation layer KS applied cladding layer ML, the has a higher velocity v (ML) of the acoustic wave than the compensation layer v (KS):
  • the speed in turn, can be adjusted accordingly
  • FIG. 5 shows a BAW component with a first one
  • Electrode layer ELI Electrode layer ELI, a piezoelectric layer SU and a second electrode layer EL2, in which the
  • Electrode layers ELI, EL 2 is applied.
  • electrode layer ELI and the second electrode layer EL2.
  • Compensating layers can be mounted as SMR (solidly mounted resonator) directly on the substrate or in
  • FIG. 6 shows another GBAW device, in which the
  • the electrode layer ELI can also be provided with a cladding layer ML.
  • Figures 7a and 7b show possibilities, such as the acoustic properties of a with a compensation layer KS
  • SAW device can be further improved. Due to the low acoustic impedance difference between electrodes and compensation layer material
  • Piezo layer and electrodes or above the compensation ⁇ layer possible. 8a-8c show such example ⁇ liable versions.
  • a dielectric layer DS is present between the first electrode layer ELI and
  • FIG. 8b shows a dielectric layer DS over the cladding layer ML
  • FIG. 8c shows an embodiment which simultaneously has two dielectric layers DS1 and DS2, as shown individually already in FIGS. 8a and 8b.
  • Scandium-yttrium trifluorides such as stiffness, are in a similar range to the previously used Si0 2 layers. At slightly higher density than the S1O 2 is expected that the remaining component ⁇ properties are not adversely affected by the new compensation layer. Because of the better
  • components are conceivable which have more than one compensation layer, or even construction ⁇ elements, the other means for reducing the

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Abstract

Für ein mit akustischen Wellen arbeitendes Bauelement wird vorgeschlagen, zur Kompensation eines negativen Temperaturkoeffizienten der Frequenz eine Kompensationsschicht auf dem Bauelement vorzusehen, die ein Material auf der Basis einer chemischen Verbindung zumindest zweier Elemente umfasst, die einen negativen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist.

Description

Beschreibung
Mikroakustisches Bauelement mit verbesserter
Temperaturkompensation
Die Eigenschaften von mit akustischen Wellen arbeitenden Bauelementen wie z.B. von SAW-Bauelementen (SAW = surface acoustic wave) oder BAW Bauelementen (BAW = bulk acoustic wave) zeigen in der Regel eine Abhängigkeit von der
Temperatur. So liegt beispielsweise der Temperaturkoeffizient der Mittenfrequenz (TCF) von SAW Bauelementen auf der Basis von Lithiumtantalat (LT 42°rot xy) typisch bei z.B. -40 ppm/K. Unterschiedliche Substrate zeigen dabei
unterschiedliche Temperaturkoeffizienten .
Die thermische Ausdehnung dieser Materialien hat auch eine Senkung der Dichte p zur Folge und über die Beziehung
v = V(c/ p )
einen direkten Einfluss auf die Wellengeschwindigkeit v.
Dadurch kompensiert sich die durch die thermische Ausdehnung erhöhte Lauflänge für die Welle. Wesentlichen Einfluss auf die Frequenz hat aber vor allem die Tatsache, dass sich mit der Temperatur auch die Steifigkeit c ändert, die in den meisten Materialien und so auch im piezoeolektrischen
Material mit ansteigender Temperatur abnimmt. Weiterhin sind auch der Piezotensor und die Permittivität des Substrats temperaturabhängig und tragen somit zum Temperaturkoeffizienten bei. Auch die Steifigkeitsänderung der
Elektrodenmaterialeien bleibt nicht ohne Einfluss auf den TCF.
Als Problem ergibt sich daraus, dass Fertigungstoleranzen bei mit akustischen Wellen arbeitenden Bauteilen enger werden, um zum Beispiel die Bandbreiten von Filtern um die
temperaturabhängigen Schwankungen zu erhöhen. Bei eng
benachbarten Frequenzbändern erschwert dies die Selektivität bzw. führt bei der Produktion zu einem höheren Anteil an Bauteilen, die die erforderlichen Spezifikationen nicht mehr einhalten. Andere Spezifikationen können ohne Maßnahmen zur Kompensation des TCF nicht mehr erfüllt werden.
In dem US Patent 7,589,452 B2 wird ein mit akustischen Wellen arbeitendes Bauelement vorgeschlagen, welches verschiedene
Maßnahmen zur Absenkung des Temperaturgangs (TK Kompensation) insbesondere der Resonanzfrequenz kombiniert. Das Bauelement weist auf der Substratoberseite elektrisch leitende Bau¬ elementstrukturen und auf der Unterseite eine
Kompensationsschicht auf, die mechanisch fest so mit dem Substrat verbunden ist, dass eine mechanische Verspannung entsteht, oder sich bei Temperaturänderung aufbaut.
Als weitere Maßnahme ist über den Bauelementstrukturen eine Si02-Schicht angeordnet, die einen positiven
Temperaturkoeffizient ihrer thermoelastischen Eigenschaften aufweist, der den negativen Temperaturkoeffizienten der meisten Substratmaterialien wie z.B. LT oder LN
(Lithiumniobat ) kompensiert.
Nachteilig an dieser Lösung ist, dass die erforderliche
Reflektivität der Elektroden nur mit schweren Elektroden erhalten wird. Dies ist insbesondere für SAW Bauelemente unbefriedigend und für einige Anwendungen unzureichend.
Nachteilig bei der Temperaturkompensation mit S1O2 ist weiterhin, dass dessen Temperaturkompensationseigenschaft beschränkt ist und durch den Einsatz von S1O2 ein Verlust an elektromechanischer Kopplung und Bandbreite, eine erhöhte Dämpfung als auch das Auftreten ungewünschter Störmoden in Kauf genommen werden muss. Dies beschränkt die effektiv erreichbare TK-Kompensation .
Auch andere Schichten mit positivem Temperaturkoeffizienten wie z.B. GeÜ2 und Fluor- oder Bor-dotiertes S1O2 wurden bereits zur Kompensation der temperaturabhängigen
Eigenschaften vorgeschlagen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, neue Möglichkeiten bzw. neue Materialien zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten anzugeben, mit der sowohl die Kompensation verbessert wird, als auch die damit verbundenen Nachteile reduziert werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Bauelement den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmen .
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass unter den Materialien mit einem negativen thermischen Ausdehnungskoeffizienten viele Materialen aufgefunden werden können, die einen positiven Temperaturkoeffizienten ihrer thermomechanischen Eigenschaften aufweisen. Solche Materialien können zur Kompensation eines negativen Temperaturkoeffizienten der thermomechanischen Eigenschaften eingesetzt werden, wie es in der Regel bei piezoelektrischen Materialien auftritt .
Es wird vorgeschlagen, auf einem mit akustischen Wellen arbeitenden Bauelement eine Kompensationsschicht
aufzubringen, die ein dielektrisches Material auf der Basis einer chemischen Verbindung mindestens zweier Elemente umfasst, welche einen negativen thermischen Ausdehnungs¬ koeffizienten aufweist. Gemäß einer Ausführung ist die chemische Verbindung eine anorganische Übergangsmetallverbindung oder eine
Seltenerdverbindung. Aber es sind auch Verbindungen anderer Substanzklassen geeignet. Ein solches Bauelement umfasst zumindest eine Schicht eines piezoelektrischen Materials mit einem Elektrodenpaar zur Anregung von akustischen Wellen in dem piezoelektrischen Material. Die Kompensationsschicht ist auf diesem Bauelement so angeordnet, dass sich in der Kompensationsschicht
zumindest ein Teil der Energie der akustischen Welle
befindet. Dies erfordert eine relative Nähe zur
piezoelektrischen Schicht, in der die akustische Welle primär erzeugt wird. Materialien mit negativen thermischen Ausdehnungskoeffizienten die z.B. aus der Klasse dielektrischer
anorganischer Übergangs-metall und Seltenerdverbindungen ausgewählt sind, zeigen überraschenderweise einen hohen positiven Temperaturkoeffizienten ihres E-Moduls, also eine Steifigkeitserhöhung mit zunehmender Temperatur, die größer ist als die besten bisher bekannten Materialien wie
beispielsweise das für diesen Zweck bislang eingesetzte Si02- Mit dieser hohen Steifigkeitsänderung beziehungsweise dem dazugehörigen positiven Temperaturkoeffizienten des E-Moduls gelingt es, eine effektivere Kompensationsschicht zu
realisieren . Damit ist es weiterhin möglich, Temperaturkoeffizienten der Frequenz vollständig zu kompensieren und noch dazu mit einer Kompensationsschicht einer geringeren Dicke als die bisher bekannten Materialien. Mit einer dünneren Kompensations- schicht werden dabei gleichzeitig die Probleme der bisherigen bekannten Kompensationsschichten reduziert. Insbesondere werden die nachteiligen Effekte wie die Reduktion der
piezoelektrischen Kopplung und der mit der Kompensationsschicht in Kauf zu nehmenden akustischen Dämpfung geringer.
Ein weiterer Vorteil der aufgefundenen Verbindungsklasse besteht darin, dass sich die Verbindungen in der Regel mit herkömmlichen aus der Halbleitertechnik bekannten
Abscheideverfahren in kontrollierter Weise aufbringen lassen. Damit sind sie auch verfahrenstechnisch gut geeignet, um auf einem mit akustischen Wellen arbeitenden Bauelement
aufgebracht zu werden.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird die Kompensations- schicht direkt auf der Schicht des piezoelektrischen
Materials aufgebracht. Elektroden und Kompensationsschicht können auf der gleichen Seite der piezoelektrischen Schicht angeordnet sein. Möglich ist es jedoch auch, die
Kompensationsschicht unterhalb der piezoelektrischen Schicht und die Elektroden oberhalb der piezoelektrischen Schicht anzuordnen. Weiterhin ist es möglich, die Elektroden zwischen piezoelektrischer Schicht und Kompensationsschicht
vorzusehen. Eine weitere prinzipiell mögliche Variante besteht darin, die Elektroden auf der Kompensationsschicht aufzubringen, die wiederum auf der piezoelektrischen Schicht abgeschieden ist. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Kompensationsschicht als Seltenerdverbindung mit
negativen thermischen Ausdehnungskoeffizienten ein Glas, das auf Scandiumtrifluorid SCF3 basiert. Dieses Material ist ausreichend hart, mechanisch stabil und lässt sich sehr gut abscheiden .
Ein besonders hoher positiver Temperaturkoeffizient des E- Moduls lässt sich mit einem Yttrium-dotierten
Scandiumtrifluorid der Formel SC(i-X)YxF3 erzielen, wobei der durch den Koeffizienten x ausgedrückte Yttriumanteil -S 0,25 eingestellt ist, so dass die Beziehung 0 < x -S 0,25 gilt.
Der Yttriumgehalt dieser Verbindung ist durch die Löslichkeit von Yttriumtrifluorid in dem Scandiumtrifluorid begrenzt und kann theoretisch auch höher sein, wenn es gelingt
entsprechende Materialien herzustellen.
Besonders positive und vorteilhafte Eigenschaften zeigt ein Yttrium-dotiertes Scandiumtrifluorid mit einem Yttriumanteil von ca. 20 %, bei dem also gilt: x = 0,2. Dieses Material zeigt in Reinform einen Temperaturkoeffizienten des E-Moduls von ca. 1500 ppm/K. Dieser Temperaturkoeffizienten ist mehr als fünfmal so hoch wie der von undotiertem S1O2, welches bei heutigen Bauelementen als Kompensationsschicht Anwendung findet. Im Vergleich zu dem bisher nur vorgeschlagenen aber überhaupt noch nicht eingesetzten fluordotiertem S1O2 liegt der Temperaturkoeffizient des vorgeschlagenen Yttriumdotierten Scandiumtrifluorids mehr als doppelt so hoch. Für eine daraus hergestellte Kompensationsschicht bedeutet dies, dass der gleiche Kompensationseffekt mit einer nur halb so hohen Schichtdicke erreicht wird, als dies bisher bei bekannten Kompensationsmaterialien der Fall war. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Kompensationsschicht einen Temperaturkoeffizienten der thermoelastischen Eigenschaften von > 700 ppm/K auf. Diese Werte werden von verschiedenen der genannten Materialien mit negativen thermischen Ausdehnungskoeffizienten erreicht.
Mit den vorgeschlagenen Verbindungen können auch
Kompensationsschichten mit einem Temperaturkoeffizienten der thermoelastischen Eigenschaften von > 1000 ppm/K erhalten werden .
Das genannte Material kann dabei in fester Reinform, in dotierter Form, als Mischverbindung zusammen mit anderen Oxiden, Halogeniden oder anderen kristallinen Verbindungen vorliegen oder es kann in fester Form in eine kristalline Matrix oder vorzugsweise eben in ein Glas eingebettet sein. Es ist möglich, dass eine Kompensationsschicht, die das Material mit negativem Ausdehnungskoeffizienten nicht in Reinform erhält, einen geringeren Kompensationseffekt erzielt als eine Kompensationsschicht, die ausschließlich aus dem genannten Material besteht. Es ist aber auch möglich, dass eine geschichtete Mischung oder eine geschichtete Dotierung den gewünschten Effekt sogar erhöht. Mischungen mit anderen Substanzen oder eine Einbettung in eine Matrix können in den Fällen von Vorteil sein, in denen die Modifikation des
Materials nicht direkt zur Schichtabscheidung geeignet ist, bzw. wenn so erzeugte Schichten mechanisch und strukturell zum Verbleib auf dem Bauelement ungeeignet sind.
Der Begriff Schichtbildung bezieht sich dabei auf eine für ein Bauelement geeignete Schicht einer ausreichenden Härte und einer geeigneten physikalischen Konsistenz. In einer Ausführungsform ist das Bauelement als SAW- Bauelement, also als ein mit akustischen Oberflächenwellen arbeitendes Bauelement ausgebildet. Es weist zumindest einen interdigitalen Wandler auf der piezoelektrischen Schicht auf. Auf der piezoelektrischen Schicht und über dem interdigitalen Wandler ist eine Kompensationsschicht abgeschieden, die
Scandiumtrifluorid SCF3 enthält, entweder dotiert (z. B. mit YF3) , als Mischkristall mit anderen Oxiden oder Halogeniden oder eingebettet in eine kristalline Matrix oder in ein Glas. Die Kompensationsschicht ist bezüglich der Auswahl des kompensierenden Materials und bezüglich dessen Anteil in der Kompensationsschicht so ausgebildet, dass der Temperatur¬ koeffizient der Mittenfrequenz, also der für das SAW- Bauelement maßgebliche temperaturabhängige Wert bereits bei einer relativen Schichtdicke von 5 - 15 % vollständig
kompensiert ist. Die relative Schichtdicke bezieht sich dabei auf die Wellenlänge einer in diesem Material ausbreitungs¬ fähigen akustischen Welle und gibt die Schichtdicke in
Prozent der Wellenlänge an.
Es gibt auch Problemstellungen, die eine Überkompensation des TK erfordern, so dass auch eine höhere Schichtdicke der
Kompensationsschicht eingestellt werden kann. Die relative Schichtdicke bezieht sich dabei auf das Verhältnis der
Schichtdicke zur Wellenlänge der im Material ausbreitungs¬ fähigen akustischen Welle bei Mittenfrequenz des Bauelements. Die Schichtdicke einer solchen erfindungsgemäßen
Kompensationsschicht ist geringer als die herkömmlicher
Kompensationsschichten. Dennoch kann eine vollständige
Kompensation des Temperaturkoeffizienten der Mittenfrequenz erreicht werden. Das Bauelement kann auch als BAW Bauelement ausgebildet sein, wobei beide möglichen Ausführungen als SMR (solidly mounted resonator) oder auf der Basis von über Membranen angeordneten Resonatoren möglich sind. Weiter kann das Bauelement als GBAW Bauelement (mit geführten Volumenwellen arbeitendes
Bauelement) ausgebildet sein.
Die Bauelemente können ein Elektrodenmaterial aufweisen, das eines oder mehrere aus bekannten Metallen und Legierungen, Halbleitern sowie aus leitfähigen Boriden, Nitriden, Carbiden und Mischverbindungen umfasst.
Die erfindungsgemäßen Bauelemente können für die verschiedensten Anwendungen vorgesehen bzw. ausgelegt werden. Möglich ist beispielsweise eine Verwendung der erfindungsgemäßen Bauelemente als Resonator, DMS Filter oder Laddertypefilter .
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Kompensationsschicht ein Material aus oxidischen Netzwerkbildnern. Diese speziellen Netzwerkbildner zeigen einen negativen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, welcher meist auch mit einem anormalen Druckverhalten („pressure softening") einhergeht. Derartige Verbindungen zeigen auch ein anormales thermo- mechanisches Verhalten, das auch mit einem positiven
Temperaturkoeffizienten der Steifigkeit c und des E-Moduls einhergeht .
Bekannt für ihr besonders stark anormales thermomechanisches Verhalten und ihren positiven Temperaturkoeffizienten der Steifigkeit c und des E-Moduls sind insbesondere die iso¬ strukturellen Wolframate ZrW2Ü8 und HfW20s. Für ZrW2Ü8 wurde bereits dessen anormales thermomechanisches Verhalten der elastischen Konstanten nachgewiesen. Weitere Beispiele für oxidische Netzwerkbildner mit negativem thermischen Ausdehnungskoeffizienten sind Z rMo20s , HfMo20s , S CW3O12 , AIW3O12 , Zr (W04) (P04) 2 .
Auch aus anderen Substanzklassen sind Materialien mit negativem thermischen Ausdehnungskoeffizienten bekannt, wie etwa viele Zeolithe oder B2O3 . Nichtoxidische Netzwerkbildner bzw. Glasbildner, die
vergleichbare Eigenschaften wie oben genannt aufweisen, sind fluorbasierte Verbindungen S cF3 -BaF2 ~ YF3 , S cF3 -BaF2 ~ Z nF2 , S CF3 - BaF2-InF3, ScF3-MgF2, YbF3-ScF3, LuF3-ScF3, Zn(CN)2 und BeF2 sowie einige Cyanide wie z.B. Zn(CN) 2 - Alle diese
Verbindungen weisen negative Temperaturkoeffizienten der thermischen Ausdehnung aus und sind daher prinzipiell auch zur Verwendung in Kompensationsschichten auf mit akustischen Wellen arbeitenden Bauelementen geeignet. Im Gegensatz dazu zeigen typische Glasbildner wie S 1 O2 , GeÜ2 , B2O3 usw. ein PTE Verhalten (positive thermal expansion) , wenn auch ein
geringes .
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungs¬ beispielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren sind nur schematisch ausgeführt und dienen allein dem besseren Verständnis der Erfindung. Die Figuren sind daher insbesondere nicht maßstabsgetreu, da einzelne Teile
vergrößert oder verkleinert dargestellt sein können.
Dementsprechend sind den Figuren weder relative noch absolute Maßangaben zu entnehmen.
Figuren 1 und 2 zeigen im schematischen Querschnitt jeweils ein SAW-Bauelement mit Kompensationsschicht in
unterschiedlicher Anordnung, Figur 3 zeigt ein BAW-Bauelement mit Kompensationsschicht,
Figur 4 zeigt ein GBAW-Bauelement mit Kompensationsschicht,
Figur 5 zeigt ein weiteres BAW-Bauelement, Figur 6 zeigt ein SAW-Bauelement ,
Figuren 7a und 7b zeigen jeweils ein SAW-Bauelement mit strukturierter KompensationsSchicht ,
Figuren 8a bis 8c zeigen SAW oder GBAW-Bauelemente, die eine oder mehrere zusätzliche dielektrische Schichten DS
aufweisen,
Figur 9 zeigt den Verlauf des E-Moduls über die Temperatur im System SC(i-X)YxF3 mit unterschiedlichem Yttriumgehalten x. Figur 1 zeigt die einfachste Ausführungsform eines mit einer Kompensationsschicht KS versehenen SAW-Bauelements . Auf einem Substrat, welches zumindest eine dünne piezoelektrische
Schicht umfasst, ist eine erste Elektrodenschicht ELI
angeordnet, die in Form von kammartig ineinander geschobener Kammelektroden ausgebildet sind. Das Substrat SU besteht insbesondere aus Lithiumtantalat mit einem für die SAW- Erzeugung und Ausbreitung geeigneten Schnitt. LT42 weist beispielsweise einen Temperaturkoeffizienten der elastischen Eigenschaften in x-Richtung von circa -40 ppm auf. Um diesen zu kompensieren, ist über der Elektrodenschicht ELI die
Kompensationsschicht KS in einer geeigneten Dicke angeordnet, die entsprechend den gewünschten Kompensationsgrad in der Dicke bemessen wird. Figur 2 zeigt ein ähnliches Bauelement, bei dem die
Kompensationsschicht KS jedoch auf einer Oberfläche des
Substrats aufgebracht ist, die der mit der Elektrodenschicht versehenen Oberfläche gegenüberliegt. Wird die Dicke der piezoelektrischen Schicht geeignet dünn gewählt, so kann auch mit dieser Anordnung eine gute Kompensation des Temperaturkoeffizienten der Frequenz erreicht werden. Figur 3 zeigt ein mit akustischen Volumenwellen arbeitendes
Bauelement (BAW-Bauelement ) bei dem eine Kompensationsschicht KS direkt auf ein piezoelektrisches Substrat SU aufgebracht ist. Auf diese freiliegende Oberfläche des Substrats SU ist eine erste Elektrodenschicht ELI und auf die freiliegende Oberfläche der Kompensationsschicht KS ist eine zweite
Elektrodenschicht EL2 angeordnet. Die Dicke von Kompen¬ sationsschicht KS und Substrat SU zusammen bestimmen die Wellenlänge des BAW-Bauelements , so dass bei einer gegebenen Wellenlänge eine dickere Kompensationsschicht KS ein dünneres Substrat SU zur Folge hat, um die gleiche Resonanzfrequenz im BAW-Bauelement einzustellen.
Figur 4 zeigt eine weitere Gattung von mit akustischen Wellen arbeitenden Bauelementen, nämlich ein mit geführten
akustischen Wellen arbeitendes Bauelement, ein sogenanntes
GBAW-Bauelement . Bei diesem sind auf einem piezoelektrischen Substrat SU wieder Elektroden in einer insbesondere
strukturierten ersten Elektrodenschicht ELI angeordnet.
Darüber ist die Kompensationsschicht KS in einer gewünschten Schichtdicke angeordnet.
Den Abschluss des Bauelements bildet eine über der
Kompensationsschicht KS aufgebrachte Mantelschicht ML, die eine höhere Geschwindigkeit v(ML) der akustischen Welle aufweist als die Kompensationsschicht v(KS):
v (ML) > v (KS) .
Die Geschwindigkeit wiederum lässt sich gemäß
v = V(c/ p )
über die Dichte p oder die Steifigkeit c der verwendeten Materialien entsprechend einstellen. Dadurch ist gesichert, dass die Führung der akustischen Welle überwiegend innerhalb von Substrat und Kompensationsschicht stattfindet. Darüber hinaus ist die Dicke der Mantelschicht so hoch bemessen, dass an der von der Piezoschicht bzw. der von der Kompensations¬ schicht weg weisenden Oberfläche der Mantelschicht praktisch keine akustische Bewegung bzw. Schwingung auftreten kann. Figur 5 zeigt ein BAW-Bauelement mit einer ersten
Elektrodenschicht ELI, einer piezoelektrischen Schicht SU und einer zweiten Elektrodenschicht EL2, bei der die
Kompensationsschicht KS außen auf eine der beiden
Elektrodenschichten ELI, EL 2 aufgebracht ist.
Es besteht natürlich auch die Möglichkeit, die
Kompensationsschicht KS irgendwo zwischen der ersten
Elektrodenschicht ELI und der zweiten Elektrodenschicht EL2 anzuordnen. Als weitere Möglichkeit können mehrere
Kompensationsschichten KS unterschiedlicher Dicke verwendet werden. BAW Bauelemente mit einer oder mehreren solcher
Kompensationsschichten können als SMR (solidly mounted resonator) direkt auf dem Substrat aufsitzend oder in
Membranausführung ausgebildet sein.
Figur 6 zeigt ein weiteres GBAW-Bauelement , bei dem die
Kompensationsschicht zwischen dem piezoelektrischen Substrat und der ersten Elektrodenschicht ELI angeordnet ist. Oberhalb der Elektrodenschicht ELI kann - wie in Figur 6 dargestellt - auch eine Mantelschicht ML angeordnet sein.
Figuren 7a und 7b zeigen Möglichkeiten, wie die akustischen Eigenschaften eines mit einer Kompensationsschicht KS
versehenen SAW-Bauelements weiter verbessert werden können. Die durch den geringen akustischen Impedanzunterschied zwischen Elektroden und Kompensationsschichtmaterial
verminderte Reflektivität der Elektroden wird durch eine zusätzliche, durch Strukturierung der Kompensationsschicht KS geschaffene Reflexion wiederhergestellt. Zu diesem Zweck werden parallel zu den Elektrodenfingern Vertiefungen (Figur 7a) bzw. Verdickungen (Figur 7b) in die Oberfläche der
Kompensationsschicht KS eingebracht, die Reflexionsstellen für die akustische Welle bilden und die im selben Raster wie die Elektrodenfinger angeordnet sind und daher die
Reflektivität der an den Elektrodenfingern verstärken.
In Verbindung mit der Erfindung sind auch zusätzliche
dielektrische Schichten DS zwischen Piezokristall/
Piezoschicht und Elektroden oder oberhalb der Kompensations¬ schicht möglich. Figuren 8a bis 8c zeigen solche beispiel¬ haften Ausführungen. So ist in Figur 8a eine dielektrische Schicht DS zwischen erster Elektrodenschicht ELI und
Kompensationsschicht KS angeordnet. In Figur 8b ist eine dielektrische Schicht DS über der Mantelschicht ML
angeordnet. Figur 8c zeigt eine Ausführung, die gleichzeitig zwei dielektrische Schichten DS1 und DS2 aufweist, wie sie einzeln bereits in den Figuren 8a und 8b dargestellt sind. Figur 9 zeigt den Verlauf des E-Moduls in Abhängigkeit von der Temperatur im System SC(i-X)YxF3 für verschiedene Parameter x entsprechend einem Yttriumanteil zwischen 0 und 25 %. Es zeigt sich, dass für einen Yttriumgehalt von 20 % (x = 0,2) der stärkste Anstieg des E-Moduls im Temperaturbereich von 300 - 500 K ergibt, so dass dieses Material den höchsten positiven Temperaturkoeffizienten des E-Moduls aufweist und bestens für die Verwendung in einer Kompensationsschicht in einem mit akustischen Wellen arbeitenden Bauelement geeignet ist. Dabei zeigt das reine Scandiumtrifluorid zwar einen negativen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, aber nur einen gegen Null gehenden Temperaturkoeffizienten des E- Moduls .
Aus der Grafik, beziehungsweise den zugrundeliegenden
Versuchen ergibt sich für das gemischte Scandium-Yttrium- Trifluorid mit einem Yttriumanteil zwischen 20 und 25 ~6 ein Temperaturkoeffizient der Mittenfrequenz von circa 1500 ppm/K. Fluordotiertes S1O2 dagegen zeigt einen Koeffizienten < 700 ppm/K während undotiertes S1O2 einen Temperatur¬ koeffizienten < 300 ppm/K aufweist. Im Vergleich zu heute gebräuchlichen Kompensationsschichten aus undotiertem S1O2 ergibt sich damit eine Verbesserung der Kompensation um den Faktor 5.
Die Materialeigenschaften insbesondere des gemischten
Scandium-Yttrium-Trifluorids , wie zum Beispiel Steifigkeit, bewegen sich in einem vergleichbaren Rahmen wie die bislang verwendeten Si02-Schichten . Bei etwas höherer Dichte als das S1O2 lässt sich erwarten, dass auch die übrigen Bauelement¬ eigenschaften durch die neue Kompensationsschicht nicht nachteilig beeinflusst werden. Da wegen der besseren
Kompensation nur eine niedrigere Schichtdicke der
Kompensationsschicht erforderlich ist, lässt sich vielmehr eine wesentliche Verbesserung der akustischen Eigenschaften erwarten . Die Erfindung ist nicht auf die in den Ausführungsbeispielen näher beschriebenen Ausführungen beschränkt, die nur beispielhafte Ausführungen von mit akustischen Wellen
arbeitenden Bauelementen mit einer Kompensationsschicht angeben. Prinzipiell sind auch Bauelemente denkbar, die mehr als eine Kompensationsschicht aufweisen, oder auch Bau¬ elemente, die noch andere Mittel zur Reduzierung des
Temperaturkoeffizienten der Mittenfrequenz aufweisen, insbesondere Verspannungsschichten .

Claims

Patentansprüche
. Mit akustischen Wellen arbeitendes Bauelement,
mit einer Schicht (SU) eines piezoelektrischen Materials
mit zumindest einem Paar von Elektroden (EL,EL1,EL2) zur Anregung von akustischen Wellen in dem
piezoelektrischen Material
mit einer Kompensationsschicht (KS) , die so im Bauelement angeordnet ist, dass sich in der
Kompensationsschicht zumindest ein Teil der Energie der akustischen Welle befindet,
wobei die Kompensationsschicht ein dielektrisches Material auf der Basis einer chemischen Verbindung zumindest zweier Elemente umfasst, die einen negativen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist .
Bauelement nach Anspruch 1,
bei dem die Kompensationsschicht (KS) direkt auf der Schicht des piezoelektrischen Materials aufgebracht ist, wobei die Elektroden (EL, ELI , EL2 ) auf der piezoelektrischen Schicht (SU) , auf der
Kompensationsschicht (KS) oder zwischen diesen beiden Schichten angeordnet sind.
3. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2,
bei dem die Kompensationsschicht (KS) als
Seltenerdverbindung Scandiumtrifluorid SCF3 umfasst.
4. Bauelement nach Anspruch 3,
bei dem die Kompensationsschicht (KS) als
Seltenerdverbindung ein mit Yttrium dotiertes SCF3 der Formel SC( i-X)YxF3 aufweist, wobei der durch den Koeffizienten x ausgedrückte Yttriumanteil durch die Beziehung 0 < x -S 0,25 definiert ist.
Bauelement nach Anspruch 4,
bei dem die Kompensationsschicht (KS) als
Seltenerdverbindung ein mit Yttrium dotiertes S CF3 der Formel Sc( i-x)YxF3 aufweist, wobei x = 0,2.
Bauelement nach einem der Ansprüche 3 - 5,
bei dem die S CF3 umfassende Kompensationsschicht (KS) ein Glas ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 - 6,
bei dem die Kompensationsschicht (KS) einen
Netzwerkbildner umfasst.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 - 7,
bei dem Kompensationsschicht (KS) einen positiven Temperaturkoeffizienten der thermoelastischen
Eigenschaften größer 700 ppm/K aufweist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 - 8,
- ausgebildet als SAW Bauelement,
- mit zumindest einem interdigitalen Wandler auf oder über der piezoelektrischen Schicht (SU)
- mit einer über der piezoelektrischen Schicht und dem interdigitalen Wandler abgeschiedenen
Kompensationsschicht (KS) , die S CF3 in Reinform, dotiert, als Mischkristall mit anderen Oxiden oder Halogeniden, oder eingebettet in eine kristalline Matrix oder ein Glas enthält - wobei die der Temperaturkoeffizient der
Mittenfrequenz mit einer Schichtdicke von 5-20% bezogen auf die Wellenlänge bei Mittenfrequenz des Bauelements vollständig kompensiert ist.
10. Bauelement wie Anspruch 9,
das aber als BAW Bauelement ohne interdigitalen Wandler aber mit zwei Elektrodenschichten (EL1,EL2) ausgebildet ist.
11. Bauelement nach Anspruch 1, 2 oder 8,
bei dem die Kompensationsschicht (KS) als Material mit dem negativen thermischen Ausdehnungskoeffizienten eine der folgenden Verbindungen umfasst: ZrW208, ZrMo208, HfW208 HfMo208, ScW30i2,
AlW30i2, Zr (W04) (P04) 2 , ScF3-BaF2-YF3, ScF3-BaF2-ZnF2, ScF3-BaF2-InF3, ScF3-MgF2, YbF3-ScF3, LuF3-ScF3,
Zn(CN)2, BeF2, B203 und Zeolith.
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